Експлуатаційні характеристики печей

 

Електрична енергія відноситься до енергії високої якості, тому використання її для нагрівання (перетворення у теплову) має бути обгрунтованим. Серед підстав для обгрунтування є такі:

· термічні операції не можуть бути здійснені в інших типах печей чи інакшим чином,

· необхідність досягнення високих значень температур, які не досягаються в інших типах печей,

· необхідність точного (прецизійного) регулювання та підтримування температури, що важко досягти в інших печах,

· проведення технологічних операцій у захисному середовищі,

· необхідність досягти високої чистоти та якості виробів і т.п.

У ході термооброблення у електричних печах потрібно прагнути до ефективного використання енергії, тобто до збільшення термічного ККД

де W _теор – теоретично необхідна кількість енергії для технологічного процесу, W _теор = с Gt _м; с – середня теплоємність; G – маса матеріалу садки; t _м – різниця кінцевої t і початкової t ₀ температури садки; α – коефіцієнт тепловіддачі з зовнішньої поверхні F; t _п – різниця температур між поверхнею t _ст.зн і довкіллям t _довк; τ – час тривання електротермічного процесу.

Аналіз ефективності енерговикористання діючої електротермічної установки проводять порівнянням (співставленням) фактичної витрати енергії з нормальним електробалансом, прийнятим для даного типу електротермічної установки. Питомі теоретичні витрати енергії для процесу нагрівання і плавлення металів можна визначити за графіками рис. 4.1. Питома енергія плавлення металів наведена у табл. 4.1.

Нормальний енергобаланс камерної резистивної печі має такий вигляд:

· тепло, використане для нагрівання садки –         60%;

· втрати тепла через стіни і завантажувальне вікно – 30%;

· втрати з тарою –                                                     6%;

· втрати в електромережі –                                        4%

разом                                                                         100%

Таблиця 4.1.

Питома теплота (енергія) плавлення металів при атмосферному тиску

Метал	Енергія кВт·год/кг (кДж/кг)	Метал	Енергія кВт·год/кг (кДж/кг)
Алюміній Вольфрам Залізо Золото Магній Мідь Натрій Олово	0,109 (393) 0,051 (184) 0,075 (270) 0,018 (67) 0,103 (370) 0,059 (213) 0,031 (113) 0,016 (59)	Платина Ртуть Свинець Срібло Сталь Тантал Цинк Чавун	0,031 (113) 0,003 (12) 0,006 (24.3) 0,024 (87) 0,023 (84) 0,048 (174) 0,031 (112.2) 0,027–0.039 (96–140)

 

 

Рис. 4.1. Теоретичні витрати енергії для нагрівання та плавлення металів залежно від температури нагрівання

 

Камерні (шахтні) печі з втратами тепла понад 30% необхідно виводити з експлуатації для ремонту чи модернізації.

За час тривалості одного циклу енергія теплових втрат складається з втрат протягом окремих етапів (див.рис.3.1):

W _втр = Q _втр τ_ц = Q _{втр.роз} τ_роз + Q _{втр.витр} τ_витр + Q _втр.ох τ_ох + Q _втр.п τ_п

Серед складових втрат найбільше значення мають втрати через стінки печі. Втрати за час розігрівання печі (рис. 3.1, а) з холодного стану t ₁ до робочої температури t ₂ через стінки можна розрахувати за формулою

,

де Q₁, Q ₂ – тепловий потік через площу стін печі при температурі t₁ і t ₂.

Якщо піч періодичної дії працює з короткочасною перервою τ_п на вивантаження і завантаження садки, то внутрішня температура стін печі знижується на Δ t незначно (рис.3.1,б), тому й тепловий потік втрат через стіни печі можна вважати умовно сталим. У такому режимі споживана електрична енергія з мережі витрачається на поповнення втрат тепла через стінки, вікно завантаження, отвори тощо.

За умови використання двопозиційного ручного чи автоматичного регулювання кількість втрат тепла пропорційна часу увімкнення τ_ув у циклі нагрівання τ_ц:

W _втр = Q _втр · τ_ув/τ_ц,

де τ_ув – сумарна тривалість увімкненого стану печі; τ_ц – тривалість циклу термооброблення.

Середня потужність печей періодичної дії оснащеної терморегулятором за один цикл складає близько 85% від максимальної потужності Р _мах. Оскільки частина цієї потужності витрачається на покриття втрат Р _втр, то максимальна годинна продуктивність печі дорівнює:

 (кг/год)

де  – паспортна потужність печі (на працюючій печі її можна виміряти ватметром);  – потужність втрат; В – теоретична витрата тепла на нагрівання виробів до необхідної температури ((кВт·год)/кг). Значення В можна визначити за рис. 4.1.

Таблиця 4.2.

Питомі теплові втрати через стіни печі

Теплоізоляційний матеріал	t вн =750°С, t зн =50°С		t вн =400°С, t зн =50°С
	ккал/год	%	ккал/год	%
Шамотна цегла Легковаговик (γ=1.3) Легковаговик (γ=1.0)	1840 940 700	100 51 38	840 420 310	100 50 37
Піношамотна цегла γ=0.9 γ=0.6	650 280	35 15	290 115	34.5 13.5
Діатомітовий порошок Те ж, грубий	330 500	18 27	130 220	15.5 26
Діатомітова цегла γ=0.7 γ=0.5	530 300	29 16	230 130	27 15.5
Азбестовий картон	480	26	190	22.5
Азбестит: γ=0.8 γ=0.35	500 320	27 18	220 130	18.5 15.5
Азбестоцементні теплоізо­ляційні плити (γ=0.25)	240	13	100	13
Гофрований азбест (γ=0.18)	190	10.5	75	9
Пінодіатомітова цегла (γ=0.4)	290	16	110	13
Ультралегковаговик (γ=0.35)	210	12	90	10.5
Шлакова вата: γ=0.4 γ=0.2	350 200	19 11	150 80	18 9.5
Вермикулітові плити (γ=0.35)	240	13	100	12

 

Мінімальні витрати електроенергії на годинну продуктивність можна розрахувати за формулою

 ((кВт·год)/кг).

Наприклад, якщо в печі розігріваються сталеві вироби до температури 850⁰С, номінальна потужність печі 75 кВт, а потужність втрат 17 кВт, то годинна продуктивність печі

 (кг/год),

де В = 0,17 (кВт·год)/кг з рис. 4.1. для заліза ().

Мінімальні питомі витрати енергії в печі

 (кВт·год)/кг.

Реально потужність печей, що знаходиться у тривалій експлуатації знижується внаслідок зниження напруги живлення мережі, старіння нагрівних елементів (збільшення їх опору) тощо. Тому піч необхідно оснащувати стабілізаторами або регуляторами напруги, а у разі суттєвого збільшення опору нагрівника замінити його новим.